EVS耦合三维地质模型在地下水污染修复中的应用.pdf

第 69 卷增刊 1Vol.69Supp.12023 年6 月Jun.,2023地质论评GEOLOGICALREVIEW378EVS 耦合三维地质模型在地下水污染修复中的应用孟美杉1)，顾海波1)，孙杰夫1)，孙小华2)，王立发1)，刘清俊1)1)北京市生态地质研究所，北京，100120；2)北京市地质矿产勘查院，北京，100195一注：本文为国家水体污染控制与治理科技重大专项资助项目（编号：2018ZX07109）的成果。收稿日期：2023-04-10；改回日期：2023-04-30；责任编辑：刘志强。DOI：10.16509/j.georeview.2023.s1.167作者简介：孟美杉，女，1990 年生，硕士，工程师，主要从事生态地质、环境地质与水文地质研究；Email：。关键词：关键词：三维地质建模；Earth Volumetric Studio（EVS）；地下水；污染修复随着科技的发展，三维可视化模型已经被广泛应用于不同行业。在地质领域，通过三维地质建模可以更直观地观察到地下情况，同时便于展示和查看，大大提高了运行效率。如描绘矿区岩体发育特征（王素芬等，2021）、溶洞及地质体的空间分布和变化现状（于淼等，2021）、城市地下空间立体化开发情况（邢怀学等，2022）等。在环境地质领域中，目前已发表的污染场地三维建模实例大多是在二维方法上估算污染方量，缺乏对污染场地地层和污染羽的三维精细刻画，导致在修复时造成过度修复或难以开展精确修复或风险管控工作（张婉莹，2021）。1EVS 软件介绍EVS（Earth Volumetric Studio）是 C Tech 公司针对地球科学领域的高级可视化分析软件，可以满足采矿工程、地质、考古、地球化学和环境等众多专业需求。三维地质建模通常是基于钻孔数据、剖面数据或物探数据。EVS 地层建模是通过对原始钻孔数据进行层序划分，采用不规则三角网模型，通过对有限点进行三角剖分构建。（周念清等，2020）该软件在道路选址、隧道挖掘、坑槽建模、建筑定址、湖泊河流数据分析处理等方面应用较广泛，本次研究主要针对污染场地地下水修复工作，通过 EVS 耦合三维地质模型实现对场地地层与地下水污染状况进行精细刻画，建立能够精准刻画场地地下水污染状况的概念模型。2应用实例2.1研究区概况研究区地处华北平原，位于永定河及潮白河冲洪平原的中下部，第四系地层发育较全，面积约10000 m2。原为一化工厂的仓储车间，2012 年停产后，清空了所有产品并进行了清洗。2017 年对该区域进行了废物清理和设备拆除工作，并开展水土环境污染调查与评估工作。依据污染空间分布和水文地质条件，并结合未来用地规划进行风险评估的结果显示，该区域土壤和地下水中的苯浓度最大值为 240 mg/L，超过地下水质量标准（GB/T 14848-2017）中的类标准（120 g/L），由于苯具有很强的挥发性，计算得到的致癌风险远远超过了人体可接受水平（10-6），需要对地下水中的苯进行污染修复。2.2模型应用2.2.1地层模型地层模型中在实地踏勘、野外调查和收集钻探资料的基础上，进行研究区三维地质建模。在本次场地调查中，采用土壤钻探取样方法，利用美国Geoprobe 直推式钻机进行原状土壤取样，用便携式GPS 进行定点，在对所有钻孔进行地质编录后，采用研究区范围内及周边的 17 个土壤钻孔资料进行建模（图 1）。通过三维地质模型可以清晰揭露地层情况，在勘查深度 022 m 范围内的各土层基本岩性分层为：人工回填层（03 m）；粉土层（34 m）；砂质粉土层（46 m）；粉土层（56 m）；砂层（620m）；粉质黏土（2022 m）。地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1379图 1研究区三维地层模型（a）-钻孔层序模型；（b）-三维地层模型2.2.2地下水污染模型本次研究以苯污染为例建立地下水污染模型，利用研究区范围内及周围 25 个钻孔和 61 个地下水苯浓度数据建立地下水污染模型（图 2）。根据地下水污染模型绘制出的污染羽情况，初步判定研究区内地下水中存在两个污染羽，一个污染羽位于上层即 10 m 深度范围内，另一个污染羽位于下层即 1520 m 深度范围内。上层 10 m 左右污染羽浓度较高，集中分布在研究区西侧，且向下迁移污染至中层（15 m）和下层（20 m）较少；而另一污染羽集中分布在研究区东侧，其上层未见高浓度苯污染现象。为探究地下水污染羽的来源，本次工作分析了地下水中苯浓度的高值点所对应的土壤样品。上层污染羽主要分布在 10 m 左右的地下水中，污染层位对应的土壤中苯浓度高达 100200 mg/kg；下层污染羽主要分布在1520m 的地下水中，该污染羽中心位置的土壤中存在 10100 mg/kg 的高浓度的苯。可见，地下水与土壤中苯的高值点位置基本一致。2.2.3地下水污染修复体积估算依据污染情况和水文地质条件，结合用地规划风险评估结果，确定研究区地下水中苯修复目标值为 1 mg/L。通过地下水污染模型可知，研究区地下水苯浓度最高值位于研究区西侧埋深为10m 处，平面面积超过50%区域已被污染且超过修复目标值。根据污染程度不同，将地下水修复区域划分为重度污染范围、中度污染范围和轻度污染范围，即苯污染浓度大于 100 mg/L 为重度污染范围，苯污染浓度小于等于 100 mg/L 且大于 10 mg/L 为中度污染范围，苯污染浓度小于等于 10 mg/L 且大于 1mg/L 为轻度污染范围。运用 EVS 软件模拟计算出地下水苯污染浓度大于 1 mg/L 的体积约为 28500 m3；大于 10 mg/L的的体积约为 10420 m；大于 100 mg/L 的体积约为 33 m（图 3）。估算结果为：重度污染体积为33 m，中度污染体积为 10387 m，轻度污染体积为 18080 m。3修复方案综合整个研究区的污染现状、水文地质条件、风险计算结果、管控目标以及各潜在方案的有效性、实施成本、实施周期以及潜在的不确定性，确定研究区地下水选用“多相抽提+抽出处理+原位化学氧化+长期监测自然衰减”的污染修复与风险管控方案（表 1）。其中，地下水重度污染区内土壤污染也较严重，因此采用多相抽提方法对土壤和地下水同时进行修复；地下水中度污染区采用抽出处理的方法，运用隔油/调节吹脱、氧化、石英砂过滤工艺使其达到修复目标后自然回灌；地下水轻度污染区采用原位化学氧化方法，同时开展长期监测自然衰减的风险管控措施。图 2研究区地下水污染模型(a)(b)地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1380图 3研究区污染修复体积估算（a）地下水苯浓度大于 1 mg/L；（b）地下水苯浓度大于 10 mg/L；（c）地下水苯浓度大于 100 mg/L4结论通过对研究区三维地质建模以及对地下水污染羽精细刻画的研究，得到结论如下：（1）EVS 在刻画三维地层结构方面能利用三维交互式进行层序划分，以确定各钻孔层序，创建地层界面，并通过克里金插值方法得到地层模型。表 1研究区总体修复方案信息表序号地下水分区面积(m2)体积(m3)修复工艺1重度污染区79233多相抽提（MPE）2中度污染区259210387抽出处理（P&T）3轻度污染区363618080原位氧化（ISCO）长期监测自然衰减（2）EVS 的三维插值方法在刻画地下水污染范围和估算地下水污染方量方面相较于传统方法更加精确，使后期污染修复时药剂的投放位置和投放量更加准确。（3）基于 EVS 耦合三维地质模型在地下水污染修复中的应用，使得地理统计分析和 4D 可视化工具相结合，更加直观精准地展示场地地层情况和地下水污染羽分布，充分体现了场地污染物空间分布的差异性和地质结构的差异性，对研究区修复合理分区和修复方案的制定提供了技术支撑。参考文献/References王素芬,屈挺,贺日政,丁毅,刘建利,陈小龙,李冰,卢晓.2021.西藏甲玛矿区三维地质建模与层状矽卡岩靶区预测.地质通报,40(12):21102122.邢怀学,窦帆帆,葛伟亚,华健,常晓军,蔡小虎.2022.城市地下空间开发利用地质适宜性三维评价指标体系研究以杭州市为例.地质论评,68(2):607614.于淼,任传斌,李芳凝,马恒.2021.溶洞地质体三维建模与注浆量定量分析.地质论评,67(S1):710.张婉莹.2021.基于EVS的上海某化工污染场地中1,4-二氯苯空间分布模拟研究.环境卫生工程,29(3):3138.周念清,杨浩博,杨磊,刘先林.2020.EVS 耦合地层岩性三维地质建模方法在南宁地铁工程中的应用.隧道建设,40(2):238245.MENG Meishan，GU Haibo，SUN Jiefu，SUN Xiaohua，WANG Lifa，LIU Qingjun：Application of EVS coupledthree-dimensionalgeologicalmodelingin groundwaterpollution remediationKeywords：3D geological modeling；Earth volumetricstudio（EVS）；）；groundwater；pollution remediation(a)(b)(c)